隨著世界性的環(huán)境保護(hù)意識的提高和節(jié)能要求的迅速發(fā)展,，特別是在工業(yè)用電機控制中，以電力半導(dǎo)體組件組裝的變頻器" title="變頻器">變頻器正成為應(yīng)用的主流,。

　　但當(dāng)變頻器和電機之間的接線距離很長時,，電機接線端因變頻器的高速開關(guān)過程引起的微浪涌電壓" title="微浪涌電壓">微浪涌電壓,，給電機的絕緣帶來影響,，造成電機損傷。這里把浪涌稱為微浪涌是為了區(qū)別于雷電等突發(fā)的強大浪涌,，微浪涌從示波器上看是密集的,、連續(xù)存在的、很窄的尖峰電壓,。

　　本文對微浪涌電壓的發(fā)生機理及其對電機的影響作了分析,，介紹了抑制微浪涌電壓的技術(shù),，以及最近出現(xiàn)的衰減微浪涌電壓的產(chǎn)品和采用細(xì)線徑傳輸為特征的微浪涌抑制組件的工作原理等。

1 微浪涌電壓的發(fā)生機理

　　1.1 變頻器的輸出電壓波形

　　變頻器主要由把交流市電整流成直流的整流器,、平滑電壓脈動的電容器,、6 個開關(guān)器件構(gòu)成的逆變器所組成。如圖1 所示,，逆變器部分輸出由改變脈沖寬度（PWM" title="PWM">PWM 波）形成的等效正弦波交流電壓去驅(qū)動電機,。近幾年的變頻器為了使電機低噪音化，逆變部分的開關(guān)器件采用IGBT進(jìn)行著高速開關(guān)動作,。因此,，在PWM 波的每個脈沖上升和下降時，即開關(guān)時間以非常短的時間駐t=0.1~0.3 滋s切換著的時候,，使逆變器內(nèi)部的直流電壓Ed（400 V電力系統(tǒng)用逆變器的Ed=600 V左右）因切換所形成的電壓變化率dv/dt變得很大,，這是產(chǎn)生微浪涌的主要根源之一。

　　1.2 微浪涌電壓

　　微浪涌電壓是變頻器和電機之間的接線長度很長時,，在電機接線端產(chǎn)生的極細(xì)的尖峰浪涌電壓,。如圖2所示，逆變器的輸出電壓是脈沖狀,，在電機接線端子上發(fā)現(xiàn)在脈沖狀的波形上又疊加了微浪涌電壓尖峰,。一般情況下，微浪涌電壓的尖峰值將會是逆變器內(nèi)部的直流電壓的2 倍,。

　　1.3 阻抗不匹配形成的反射

　　變頻器的輸出脈沖上升或下降時間很短,，是疊加在變頻器輸出給電機的驅(qū)動頻率（基波）及脈沖調(diào)制頻率（調(diào)制波）之外的高頻成分。一般情況下,，變頻器與電機連接電纜的阻抗ZL是50~100 贅,，而電機本身的阻抗ZM，一般數(shù)百kW的電機也都超過1 k贅,，是電纜阻抗的10 倍以上,。這樣，在電機的接線端子上將發(fā)生阻抗的不匹配現(xiàn)象,，造成高頻波成分的反射,。在不匹配阻抗連接處的反射系數(shù)M為

　　變器的輸出脈沖同一極性、幾乎同一大小的反射波,，疊加后成為微浪涌尖峰電壓,。圖3 形象地表示了反射的情況，微浪涌電壓就像海浪遇到障礙一樣被抬得很高,。圖4 表示實際電纜和電機的阻抗差別,，一般電機的阻抗是電纜特性阻抗的10 倍以上，所以反射總是存在。

　　1.4 微浪涌發(fā)生的實例
　　
　　某一變頻器和電機額定值都是AC 400 V輸入,、功率3.7 kW,，運行電網(wǎng)電壓AC 460 V，輸電電纜長度50 m,?？蛰d條件下，測量出變頻器內(nèi)部直流中間電壓為620 V,，用示波器看到的電機接線端子上的微浪涌波形如圖緣所示,，圖中，微浪涌電壓值高達(dá)直流1 250 V,，這對電機絕緣產(chǎn)生破壞并加速其老化,。

　　測量變頻器與電機間不同布線電纜長度時的微浪涌電壓如圖6 所示，這是在IGBT 調(diào)制頻率2 kHz,，脈沖上升時間駐t=0.1 滋s 的常見條件下的測量值,，可以看到電纜長度超過100 m后，微浪涌電壓保持在變頻器內(nèi)部直流電壓2 倍的水平不變,。而電纜長度超過20 m就要重視微浪涌電壓可能已經(jīng)超過變頻器內(nèi)部直流電壓1.8 倍的情況,。

2 微浪涌電壓對電機的影響

　　電機內(nèi)部的斷面如圖7 所示。電機有定子和轉(zhuǎn)子,，定子內(nèi)有安放三相線圈的槽,。如果放大槽的內(nèi)部，可以看到有許多的線圈（漆包線）,，各線圈對地之間,、各相之間、線匝相互之間都有絕緣存在,。通常對地,、相間都有絕緣紙插入，而線匝之間沒有絕緣紙插入,，它利用堅固的漆包線的漆層獲得絕緣,。微浪涌電壓給這些絕緣全部帶來影響，這些絕緣損壞之中,，線圈匝間損壞最多,。表1 列出了有關(guān)電機內(nèi)部各絕緣部分承受的電壓值，也稱為電壓應(yīng)力,，提供了用市電電源驅(qū)動電機和用變頻器驅(qū)動時相比較的資料,。

　　2.1 對線圈匝間的絕緣破壞

　　浪涌電壓滲入電機內(nèi)部的時候，線圈匝間究竟加上多少電壓,，模擬結(jié)果如圖8所示,。該模擬是將測量點放在電機的每一線圈上（電機槽內(nèi)的漆包線圈上）,，在U-V之間加上上升時間0.14 滋s 的浪涌電壓的測量的結(jié)果。U-S1之間是第1 線圈分擔(dān)的電壓,，測得它分擔(dān)了全電壓65豫耀75%，而別的線圈S1-S2,、S2-S3,、S3-V 之間分擔(dān)了10豫耀20%，這是因為電機內(nèi)部的阻抗大,，微浪涌電壓在逐漸衰減,。

　　在電機的制造過程中，漆包線線圈的起頭到末尾完全分離不易做到,，多數(shù)情況下是亂繞的,，槽里邊線頭和線尾可能緊挨著。如果這樣就會發(fā)生線匝之間由于微浪涌電壓的電暈放電（局部放電）,。那怕放電部分時間極其短促,，局部也會達(dá)到10 000益，高溫使絕緣逐漸地侵蝕,，過些時間之后絕緣就會被破壞,。如圖9 所示為直徑0.85 mm、漆皮厚33 滋m,、F 級絕緣,、155益漆包線的壽命特性。

　　壽命特性水平軸表示施加破壞脈沖次數(shù)和破壞時間,；縱座標(biāo)軸表示破壞電壓,，兩條曲線分別表示漆包線在溫度20益和155益兩種條件下測量的結(jié)果。

　　壽命特性用斜率不同的兩條線表示,，兩條線連接的地方叫做局部放電起始電壓,。斜率陡險的部分，是確實發(fā)生了放電的區(qū)域,，2 小時內(nèi)漆包線遭到破壞,。斜率緩慢的區(qū)域極少發(fā)生局部放電。按照這一結(jié)論,，如果控制住第1 線圈局部放電起始電壓,，就不發(fā)生微浪涌電壓的絕緣破壞。另外,，如果相間（U-V 之間）控制在1 000 V以下,、上述的第1 線圈的電壓分擔(dān)率控制在750 V 左右，就能夠確保20 年的壽命,。

　　2.2 由于微浪涌所造成電機損壞的真實情況

　　在日本,，隨著變頻器的普及，電機廠家強化了電機的絕緣，多數(shù)把絕緣水平做到超過1 200 V以上,。JEMA（日本電機工業(yè)會）的技術(shù)資料顯示在1989耀1993 年的5 年間,，根據(jù)對電機發(fā)貨臺數(shù)統(tǒng)計的微浪涌的損壞事例在0.013% ，即非常低的概率,。不過長期使用絕緣老化的舊電機和被認(rèn)為絕緣水平低的電機,，絕緣破壞的危險性還是較高。另外,，根據(jù)近幾年的電源的高次諧波對策和對以升降機的回生能量為目標(biāo)的高功率因數(shù)電源推廣應(yīng)用,，所設(shè)置PWM 變頻器系統(tǒng)不斷增加。PWM變頻器的回生能量為了送回市電電源,，讓直流中間電壓上升到較高值是必要的關(guān)鍵,，其結(jié)果是由于微浪涌電壓引發(fā)絕緣破壞的可能性正在增加。在中國和其它AC 440~380 V地區(qū),，市電電壓是日本市電電壓的2倍,，因此，微浪涌電壓的危害更加顯著,。

3 微浪涌的抑制技術(shù)

　　鑒于上述原因,，各變頻器廠商致力于克服微浪涌問題，開發(fā)和銷售各種各樣對微浪涌進(jìn)行抑制的產(chǎn)品,。

　　3.1 輸出電路用的濾波器

　　輸出電路用濾波器由輸入輸出接線端子,、電阻、電容器,、電抗器所構(gòu)成,，如圖10 所示，其中電抗器是非常重的部件,。作為主要的指標(biāo),，相間的微浪涌電壓為1 000 V以下，變頻器和電機之間的接線長度為400 m,，產(chǎn)品的系列到達(dá)500 kW,，防護(hù)等級為IP00。

　　3.1.1 工作原理

　　輸出濾波器的工作原理如圖11所示,。微浪涌電壓是變頻器輸出脈沖上升時間出現(xiàn)的dv/dt 過大所引起,，又由于阻抗不匹配被反射而發(fā)生。因此輸出電路使用濾波器,，用于抑制dv/dt,，也就是抑制了高頻成分因阻抗不匹配而造成的微浪涌。所以輸出濾波器是dv/dt抑制型濾器,，這種濾波器在變頻器的調(diào)制頻率為15 kHz,、接線長度為400 m時,，能做出微浪涌電壓1 000 V以下的性能非常優(yōu)良的產(chǎn)品。不過,，這種方式的濾波器為了讓逆變器的輸出電流通過電抗器,，不得不做成大容量，造成濾波器的大型化,、高價格化,、大重量，有的達(dá)到50 kg以上,，給用戶造成了實際負(fù)擔(dān)。

　　3.1.2 抑制效果

　　圖12 顯示了供電電源440 V,，功率為3.7 kW的變頻器供電給電機（3.7 kW,，400 V），在接線長度為100 m時,、測量電機接線端子U-V 之間的微浪涌電壓的抑制效果,。在沒有輸出濾波器的情況下，微浪涌電壓達(dá)到1 360 V,，相當(dāng)于變頻器內(nèi)部直流電壓680V 的200%,。有輸出濾波器的時候，頂峰值電壓是756 V,、相當(dāng)于變頻器器內(nèi)部的直流電壓680 V的111%,，它和沒有輸出濾波器的頂峰電壓差距有604 V，抑制效果達(dá)89%,。

　　3.2 浪涌抑制組件

　　圖13 所示為浪涌抑制組件的外觀,。和輸出濾波器相比，浪涌抑制組件是小型化的產(chǎn)品,。其技術(shù)指標(biāo)為相間的微浪涌電壓1 000 V以下,，防護(hù)等級為IP20。浪涌抑制組件是對變頻器的容量不需要選擇,，而接線距離需要選擇的產(chǎn)品,。另外，接線方法非常簡單,，只需要把浪涌抑制組件的輸入電纜接到電機接線端子U,、V、W上,。

　　3.2.1 工作原理

　　浪涌抑制組件的工作原理如圖14 所示,。浪涌抑制組件內(nèi)部卷繞的浪涌抑制線具有和電纜線的阻抗ZL相同的阻抗，因此接到電機的接線端子上降低了電機接線端子的阻抗,，從而減少了阻抗不匹配時的反射波,。通常高頻波成分在電纜線上的阻抗ZL是50耀100 贅,，設(shè)計的浪涌抑制線的阻抗ZS是50~60歐。

　　浪涌抑制線的斷面圖如圖14 所示,。浪涌抑制線用直徑1.2 mm 的線做成,，內(nèi)部的銅線外表進(jìn)行高電阻率材料電鍍，又用高介電常數(shù)材料作絕緣體覆蓋,，外表是屏蔽保護(hù)的同軸電纜線,。銅線和高電阻鍍層的芯線和屏蔽線間的分布電容，降低了高頻阻抗,，因而吸收了浪涌,。使用這種浪涌抑制線的產(chǎn)品，除浪涌抑制組件以外,，還有浪涌抑制電纜,，是在變頻器的主電流通過的電纜線內(nèi)部平行安置了浪涌抑制線，它的截面圖和連接方法如圖15 所示,。

　　3.2.2 浪涌抑制組件的特點

　　只需接到電機接線端子,，即可大幅度減低浪涌電壓；
　　在使用PWM變頻器的時候,，相間電壓可控制到1 000 V以下,；
　　不需要追加施工，對已經(jīng)安裝運行的設(shè)備,，設(shè)置容易,；
　　與變頻器容量沒有關(guān)系，都可適用（但是,，超過75 kW 的電機需對應(yīng)設(shè)置）,；
　　需配合變頻器和電機之間的接線電纜長度，規(guī)格有50 m和100 m兩種,；
　　適應(yīng)于RoHS 指令,；
　　與輸出濾波器相比，小型化,、輕量化,。

　　3.2.3 從傳輸線理論得出的浪涌抑制原理

　　根據(jù)傳輸線理論，浪涌抑制使用了浪涌吸收,、浪涌減衰,、浪涌抑制線的反射降低的方法。
員）浪涌吸收浪涌是高頻波成分,，低阻抗的浪涌抑制線接在電機接線端子上,，讓浪涌電流流到抑制線里面去，如圖16所示,。

　　浪涌減衰浪涌電流是高頻波成分,，根據(jù)集膚效應(yīng),，浪涌電流集中在導(dǎo)線外表面，因?qū)Ь€外表鍍高電阻率材料鍍層,，故浪涌電流的能量在電阻上被消耗了,，如圖17 所示。

　　浪涌抑制線的反射降低浪涌電流的高頻分量在浪涌抑制線內(nèi)被旁路和衰減,，使浪涌形狀變鈍,，浪涌頻帶中心向低頻方向移動。又從浪涌電流來看,，好像浪涌抑制線的特性阻抗逐漸變高了,，使得抑制線末端不易被反射回來。如圖18所示,。

　　3.2.4 抑制效果

　　圖19 是變頻器的電源電壓為400 V,，3.7 kW的電機、接線長度50 m,，和75 kW的電機、接線長度100 m時抑制微浪涌電壓的效果,。對于3.7 kW的電機,，當(dāng)沒有浪涌抑制組件時，微浪涌電壓為1 036 V,，相當(dāng)于變頻器內(nèi)部的直流電壓540 V的192%,；當(dāng)加了浪涌抑制組件時，50 m電纜的峰值電壓為733 V,，相當(dāng)于變頻器內(nèi)部的直流電壓540 V的136%,。電壓尖峰差距303 V，有61%的抑制效果,。對于75 kW的電機,，當(dāng)沒有浪涌抑制組件時，微浪涌電壓為1 040 V,，相當(dāng)于變頻器內(nèi)部直流電壓520 V的200%,；當(dāng)加了浪涌抑制組件時，電纜的峰值電壓為785 V,，相當(dāng)于變頻器內(nèi)部直流電壓520 V得151%,。電壓尖峰差距255 V，有49%的抑制效果,。

4 結(jié)語

　　針對實際應(yīng)用變頻器時,，產(chǎn)生的微浪涌現(xiàn)象對電機的危害，介紹了微浪涌抑制技術(shù)及其原理,，以實例對比了不同抑制器的抑制效果,，以期引起變頻器生產(chǎn)廠家和用戶對這一問題的關(guān)注,。